嫦娥四号牵手“鹊桥” 推开射电天文最后一扇窗

2019-01-10 09:32 科技日报

  1月3日,嫦娥四号探测器在月球背面成功着陆。着陆器拍回了照片,玉兔二号月球车也下地撒欢,留下了一串脚印。安好家以后,它们就要开始工作,开展各项科学探测了。

  其中,着陆器上低频射电探测仪的三根5米天线已展开到位。

  “月球背面的电磁环境非常干净,在那里开展低频射电探测是全世界天文学家梦寐以求的事情,将填补低频射电观测的空白。”国家空间科学中心副主任、月球与深空探测总体部主任邹永廖说。

  寻找“干净”的观测环境 月球背面成绝佳地点

  “电磁波谱的任何一个波段背后,都有天体的物理现象和机理。”中科院国家天文台研究员、嫦娥四号月球低频射电探测仪中方首席专家平劲松告诉科技日报记者,“只要能感知到,就可以寻找它们的规律。”

  1930年代,美国贝尔实验室工程师卡尔⋅央斯基在短波高频波段偶然收到来自地球之外的天体辐射,开启了射电天文的大门。自此,电磁波成为了天文学家观测天体辐射的核心手段之一。

  之所以迄今为止人类仍然使用短波和中波进行通信,归功于地球空间存在的比较浓密的电离层,能反射这些波段的人造电磁波,使得电磁波无法逃出地球范围。但与此同时,来自地球以外低于10兆赫兹的电磁辐射,也无法透过地球电离层到达地面。可以说,这个波段的天文观测窗口被地球电离层“屏蔽”了。因而地面射电天文观测都是在更高的频段开展。

  既然在地球上无法开展低频射电探测,天文学家决定在太空寻找解决途径。上世纪90年代,来自中国、荷兰等国的射电天文学家开始进行相关论证。然而,他们遇到了新的问题。

  “地球附近的人造天体太多了。”平劲松表示,这些卫星以及各类航天器,都在发射人造电磁波,大量存在的人工信号会对观测形成干扰。“离地球越远越好。”他说,但即使把观测设备架设到月球上,如果面向地球,仍然避不开地球卫星低频无线电辐射的噪声。

  要突破地球电离层的屏蔽、躲开卫星的信号,还要遮挡来自太阳的辐射,经过种种约束的筛选,月球背面成为了满足条件、技术可及的最佳选择。

  从阿波罗时代开始,科学家就设想把低频射电设备放到月球背面去探测,美国、日本等国都提出过建议,欧空局甚至制定过详细的计划,但最终均未实现。原因很简单,各国都没有在月球背面着陆的探测器,怎么把设备放上去?

  因此,甚低频频段一直是射电天文领域从未被开垦过的处女地。直到嫦娥四号任务实施,为此项研究提供了绝佳的起步机会。

  消除噪声干扰 “卡拉OK技术”来帮忙

  嫦娥四号任务中的低频射电探测计划,由中国和荷兰共同开展。科技日报记者了解到,荷兰在射电天文领域,尤其是低频观测上,堪称国际上技术最先进的国家之一。

  2015年10月,荷兰航天局局长访问中国国家航天局,双方敲定了探索与和平利用外层空间谅解备忘录。在此框架下,低频射电合作项目被两国纳入嫦娥四号工程。中科院国家天文台负责协调与荷

  方月球低频射电载荷工作事宜。

  合作项目中,双方研制了两台低频射电探测仪。平劲松介绍说,两台载荷的概念设计由中方提出,中荷各研制一台,主要功能基本相当,中方载荷搭载于嫦娥四号着陆器,荷方载荷搭载在2018年5月发射的鹊桥号中继卫星上。在工作模式上,中国载荷通过太阳能供电,当嫦娥四号着陆区是白天时开展工作;入夜后,中继星上的荷方载荷进行工作。在探测目标上,荷方载荷可以探测地球两极的射电爆发,中方载荷可以屏蔽地球与太阳的影响,探测更远的目标。

  不过该项目也面临许多技术挑战,噪声仍是其中之一。虽然月球背面非常“清净”,嫦娥四号本身带来的干扰却不容忽视。平劲松说,鹊桥中继星是全新研制的卫星,在研发时就对卫星平台噪声采取了抑制措施,对载荷也有降噪处理。相比之下,作为嫦娥三号备份的嫦娥四号,毕竟是以探月为主业,并没有做相关处理。

  对此,载荷研制团队想出了其他办法。

  许多音乐发烧友都知道,在原声音乐大碟里,不同音色都有各自的音轨,通过技术手段可以对音轨进行编辑。比如,把一首歌里的人声去掉,就能把它作为卡拉OK的伴奏。

  科研人员借助类似原理,除了在嫦娥四号低频射电探测仪上安装了三根长天线,还装有一根短天线。电磁波辐射有近场、远场之分。来自嫦娥四号的近场信号,长短天线都能接收,而宇宙天体传来的远场信号,长天线可以清晰地收到,短天线却有些“听不清”。凭借长短天线接收信号的差别,科研人员就能把远场信号和近场信号区分开来,再做“减法”。平劲松说:“虽然嫦娥四号会带来干扰,但我们可以把这些干扰剔除掉,只留下想要的东西。”

  探路低频射电观测 每项发现都可能填补空白

  平劲松介绍,作为低频射电观测的“探路者”,嫦娥四号工程中的两台低频射电探测仪都采用了长寿命设计,在嫦娥四号任务期满结束后,很可能会继续工作数年,获得更多观测机会。

  随着射电天文学的最后一扇窗逐渐开启,“探路者”的每一项发现都有可能填补空白,这让科学家们充满期待。

  平劲松说,比如太阳爆发时波段很宽,从上百亿赫兹到几百兆赫兹,直至很低的频率。落到低频时,相当于是从离太阳很远的地方发射出来。这样的爆发过去从未观测到,但今后只要遇上,就能观测并且追踪它发生的整个过程,这对研究日地空间的天气效应,构建模型预报太阳灾害事件等有很大帮助。

  同时,嫦娥四号低频射电探测仪还能借助对太阳爆发的观测,探测月球的电离层环境。平劲松说,如果月球还有电离层,它也会像地球电离层一样阻挡电磁信号,但阻挡的频率更低。因为太阳的爆发是连续的,我们可以计算出哪一段辐射频率被阻挡,以此推算月球电离层的密度特性。

  搭载于鹊桥中继星上的低频射电探测仪,将与嫦娥四号低频射电探测仪协同观测。由于处在地月拉格朗日L2点,中继星上的探测仪可以探测研究太阳低频射电特征和地月空间低频射电环境;连续监测地球千米波辐射爆发,探究其带来的空间扰动。还有望在行星际激波、日冕物质抛射和高能电子束的产生机理等方面取得原创性成果。

  除了观测太阳、地球、月球,低频射电探测仪还有望观测到银河系中普遍存在的宇宙线电子,揭示宇宙线的起源与传播过程,同时探测银河系电离气体云的分布。在银河系之外,射电星系的辐射往往来自中心大质量黑洞活动时产生的喷流。这些喷流逐渐冷却,其辐射频率也逐渐降低,因此低频观测还可能看到更古老的喷流,从而加深对黑洞活动的认识。

  更激动人心的可能性,是用低频射电探测仪观测探索宇宙大爆炸结束后的黑暗时代,以及此后第一代恒星形成时的宇宙黎明。此前,美国EDGES实验在78兆赫兹频段发现了一个相当强的吸收谱,这有可能是宇宙黎明产生的,但与标准理论模型相差很大,因此引起很大争议。如果能在纯净的电磁环境中进行这种观测,将有助于提升实验的精度。

责编:陶文冬
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